Способ двойного спектрального анализа и взвешенной обработки квазинепрерывных сигналов при отсутствии априорных сведений об их параметрах Российский патент 2025 года по МПК G01S13/04 G01S7/41 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к методам и средствам обнаружения источника квазинепрерывной когерентной регулярной последовательности радиоимпульсов (КРПРи) с низкой энергетической доступностью в задачах радиомониторинга (РМ).

В связи с широким распространением беспилотных летательных аппаратов (БпЛА), возрастает вероятность непреднамеренного либо преднамеренного негативного их влияния на организацию безопасного воздушного движения. Для повышения безопасности воздушного движения в контролируемых границах воздушного пространства требуется своевременное обнаружение и местоопределение летательных аппаратов (ЛА) нарушителей.

Полет большинства ЛА в особенности на предельно малых высотах невозможен без применения радионавигационных устройств (РНУ), таких как импульсные радиовысотомеры, импульсные доплеровские измерители скорости и угла сноса, импульсно-доплеровские бортовые радиолокационные станций переднего обзора, импульсно-доплеровские метеорадары. В вышеперечисленных бортовых РНУ в качестве зондирующих сигналов применяются КРПРи.

Вскрытие ЛА по радиоизлучению бортовых РНУ возможно средствами РМ, особенно это актуально в тех случаях, когда их обнаружение активными радиолокационными станциями (РЛС) затруднено.

В условиях ограниченных априорных сведений о характеристиках КРПРи задача их обнаружения средствами РМ решается на основе энергетического (радиометрического) приемника либо его модификаций [1,2].

Основным недостатком применения способов, реализующих энергетический прием является слабая эффективность обнаружения КРПРи с низкой энергетической доступностью. Причинами этого являются [3,4]:

ограниченная возможность работы энергетических обнаружителей в частотной полосе, согласованной с несущей частотой разведываемого сигнала, а также в режиме большой продолжительности времени интегрирования принимаемых сигналов, при которой возможно накапливать энергию значительного числа импульсов квазинепрерывной последовательности;

предельно малые импульсная мощность и длительность излучений КРПРи с низкой энергетической доступностью.

Перечисленные недостатки обусловлены тем, что накоплению подвергается не только импульсная последовательность полезного сигнала, но и шум в свободных от полезного сигнала частотных и временных интервалах (фиг. 1). Это приводит к эффекту маскирования обнаруживаемого сигнала внутриканальными шумами приемника, следствием этого является уменьшение отношения сигнал шум на входе устройства принятия решения.

Известен, принятый в качестве прототипа, способ спектрально-корреляционного обнаружения летательных аппаратов по квазинепрерывным импульсным сигналам бортовых РНС [5], заключающийся в проведении последовательно выполняемых операций широкополосного спектрального Фурье-преобразования входной реализации в частотной полосе и временном окне спектрального анализа, квадратирования сформированного амплитудно-частотного спектра (АЧС) входной реализации, обратного Фурье-преобразования - вычисления автокорреляционной функции (АКФ) входной реализации, бланкирования центрального максимума АКФ реализации и многоканального ее стробирования, обусловленного частотой повторения и длительностью разведываемых импульсов с последующим суммированием модулей полученных значений и пороговой обработкой.

В качестве недостатков рассмотренного прототипа можно указать потребность в априорных сведениях о диапазонах частот повторения и длительностях импульсов. При значительных диапазонах неопределенности последних, требуемое число каналов спектрально-корреляционного способа обнаружения со временем их накопления порядка 10^-2… 10^-1 с может превышать 10⁶… 10⁸. Следует отметить, что при увеличении диапазона характеристик разведываемых сигналов пропорционально возрастает количество каналов обработки, что приводит к росту условной вероятности ложной тревоги (УВЛТ) F_ЛТΣ и увеличению количества вычислений в приемниках средств РМ с цифровой обработкой сигналов.

Для минимизации условной вероятности ложных тревог требуется повышать порог обнаружения, что в рассматриваемом случае ведет к ухудшению характеристик обнаружения.

Реализация большого количества вычислений, сопровождается высокими требованиями к вычислительным возможностям приемников РМ[6].

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение количества каналов обработки приемного устройства средств РМ и исключение требования к априорной информации о диапазонах частот повторения и длительностях импульсов КРПРи при обеспечении заданных характеристик обнаружения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения источника квазинепрерывной когерентной регулярной последовательности радиоимпульсов при отсутствии априорных сведений об их параметрах, заключающегося в последовательном выполнении операции широкополосного спектрального Фурье-преобразования аддитивной смеси входной реализации КРПРи полезного сигнала и внутриканальных шумов приемного устройства радиомониторинга в частотной полосе и временном окне спектрального анализа, в результате которого определяют комплексный амплитудно-частотный спектр (АЧС) входной реализации, квадратировании модульных значений сформированного АЧС входной реализации для получения спектральной плотности мощности входной реализации, вычислении автокорреляционной функции (АКФ) входной реализации путем обратного Фурье-преобразования спектральной плотности мощности входной реализации, согласно изобретения после вычисления АКФ входной реализации выполняют расчет взвешивающей функции, исключающей из обработки центральный главный максимум АКФ входной реализации КРПРи и учитывающей неравномерность воздействия шума на боковые локальные максимумы АКФ входной реализации КРПРи, согласованное со временем накопления и шириной полосы анализа взвешивание АКФ входной реализации путем умножения АКФ входной реализации на взвешивающую функцию в соответствии с (1):

где, - результат взвешивания АКФ входной реализации;

- АКФ входной реализации;

τ - дискретные отсчеты временного рассогласования входной реализации при вычислении АКФ;

- взвешивающая функция;

- средняя мощность шума;

Т_Н - период накопления;

ω₀ центральная частота;

τ_КШ - время корреляции шума,

затем осуществляют накопление энергии сигнала путем вычисления прямого Фурье-преобразования от взвешенной АКФ входной реализации, выполняют операцию квадратирования модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации, вычисляют АКФ от взвешенной АКФ входной реализации путем обратного Фурье-преобразования квадрата модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации, вычисляют решающую статистику с последующей пороговой обработкой по критерию Нейман-Пирсона, по результатам которой принимают решение о наличии или отсутствии полезного сигнала во входной реализации.

Физическая суть предлагаемого способа заключается в следующем:

Модель входной реализации, включающая в себя аддитивную смесь КРПРи и внутриканальных шумов приемного устройства радиомониторинга (фиг.1) характеризуется тождеством:

где, γ(t) - модель входной реализации;

S_КРПРи(t) - модель импульсной последовательности полезного сигнала;

n₀ (t) - модель внутриканальных шумов приемного устройства средства

РМ;

t - расчетное время.

Решение об обнаружении полезного сигнала средствами РМ принимается на основе анализа энергетического спектра. Для этого осуществляется вычисление Фурье-преобразования входной реализации (фиг.2) в соответствии с выражением:

где,- комплексный частотный спектр входной реализации;

- комплексная единица;

ω- циклическая частота базисной функции Фурье-преобразования;

T_фа период времени широкополосного спектрального Фурье-преобразования входной реализации.

Это позволяет когерентно накапливать энергию полезного сигнала и уменьшать среднеквадратическое отклонение шума за счет векторного суммирования комплексных отсчетов входной реализации.

Для оценки энергии полезного сигнала, содержащейся во входной реализации, возведем в квадрат модульные значения сформированного АЧС (фиг.3) в соответствии с выражением:

где, S(ω) - спектральная плотность мощности входной реализации.

Вычисление АКФ путем обратного Фурье-преобразования энергетического спектра позволяет оценивать значение энергии полезного сигнала входной реализации в точке нулевого рассогласования (фиг.4):

где, R_р(τ) - АКФ входной реализации.

Из теории РМ известно, что структура АКФ КРПРи (фиг.5) носит периодический характер. Интервалы расположения локальных максимумов определяются периодом следования импульсов. Пиковые значения локальных максимумов линейно спадают по мере удаления от нулевой точки временного рассогласования. АКФ квазибелого шума (фиг.6) характеризуется наличием только одного центрального максимума высокой интенсивности и гладко спадающего по экспоненциальному закону бокового фона.

Так как центральный главный максимум АКФ КРПРи не различим на фоне центрального главного максимума АКФ квазибелого шума, а боковые локальные максимумы АКФ полезного сигнала подвержены меньшему воздействию шума и местами превышают значения АКФ шума, используется взвешивающая функция, исключающая из обработки центральный главный максимум реализации, учитывающая неравномерность воздействия шума на боковые локальные максимумы и подчеркивающая детерминированную структуру сигнальной составляющей и случайную природу шума (фиг. 7):

где, - средняя мощность шума;

Т_Н - период накопления;

ω₀ - центральная частота;

τ_КШ - время корреляции шума,

τ - дискретные отсчеты временного рассогласования входной реализации при вычислении АКФ;

τ_кш - время корреляции шума.

Взвешивание АКФ входной реализации осуществляется путем перемножения взвешивающей функции (6) на АКФ входной реализации (5), результат взвешивания (1) представлен на фиг.8.

Анализ преобразованной АКФ входной реализации показывает, что сигнальная составляющая после взвешивания сохраняет гармоническую структуру, что позволяет обеспечить ее когерентное накопление. Накопление энергии сигнала осуществляется путем прямого Фурье-преобразования от взвешенной АКФ входной реализации (фиг.9):

где, T_фа2 период времени прямого Фурье-преобразования от взвешенной АКФ реализации;

- комплексный частотный спектр взвешенной АКФ реализации.

Далее осуществляется операция квадратирования модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации в соответствии с выражением:

где, S₂(ω) - квадрат модуля спектра взвешенной АКФ входной реализации.

Результат представлен на фиг.10.

Последующее обратное Фурье-преобразование модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации позволяет вычислить АКФ от АКФ входной реализации после взвешивания в соответствии:

где, R₂(τ) - АКФ от АКФ входной реализации после взвешивания.

Результат представлен на фиг.11.

Вычисление решающей статистики и пороговая обработка по критерию Неймана-Пирсона осуществляется по формуле:

где, h₀ - пороговое значение;

Н₁ - решение о наличии полезного сигнала;

Н₀ - решение об отсутствии полезного сигнала.

Далее принимается решение о наличии или отсутствии полезного сигнала во входной реализации.

Изобретение поясняется рисунками, представленными на фиг.1… 13.

На фиг.1 показана модель входной реализации y(t).

На фиг.2 показан АЧС входной реализации G(ω).

На фиг.3 показана спектральная плотность мощности входной реализации S(ω).

На фиг.4 показана АКФ входной реализации R_р(τ).

На фиг.5 показана АКФ КРПРи R₀(τ).

На фиг.6 показана АКФ собственного шума приемника Rn(τ).

На фиг.7 показана взвешивающая функция Y_ш(τ).

На фиг.8 показан результат взвешивания АКФ входной реализации Z (τ).

На фиг.9 показан АЧС взвешенной АКФ входной реализации G₂(ω).

На фиг.10 показан квадрат модуля АЧС взвешенной АКФ входной реализации S₂ (ω).

На фиг.11 показана АКФ от взвешенной АКФ входной реализации R₂(Х)-

На фиг.12 показана блок-схема обнаружителя, реализующего способ двойного спектрального анализа и взвешенной обработки квазинепрерывных сигналов при отсутствии априорных сведений о параметрах КРПРи.

Приняты следующие обозначения.

12.1. Блок Фурье-преобразования.

12.2. Блок квадратирования модульных значений АЧС входной реализации.

12.3. Блок вычисления АКФ входной реализации.

12.4. Блок расчета взвешивающей функции.

12.5. Блок умножения АКФ входной реализации на взвешивающую функцию.

12.6. Блок вычисления Фурье-преобразования.

12.7. Блок вычисления квадрата модульных значений АЧС от взвешенной АКФ входной реализации.

12.8. Блок вычисления обратного Фурье-преобразования.

12.9. Блок пороговой обработки.

На фиг.13 показаны результаты числового моделирования, характеризующие отношение сигнал/шум (ОСШ) на выходе устройства обработки от ОСШ на входе приемного модуля средства РМ для согласованной обработки штрих пунктирная синяя линия, для энергетического приема штриховая красная линия, для разработанного способа сплошная желтая линия.

Реализация способа двойного спектрального анализа и взвешенной обработки квазинепрерывных сигналов при отсутствии априорных сведений об их параметрах возможна на основе блок-схемы обнаружителя, представленной на фиг.12 и заключается в последовательном выполнении следующих операций:

1. Вычисление Фурье-преобразования аддитивной смеси входной КРПРи и внутриканальных шумов реализуется блоком 12.1 в соответствии с выражением (3).

2. Квадратирование модульных значений сформированного АЧС реализуется блоком 12.2 в соответствии с выражением (4).

3. Вычисление АКФ входной реализации осуществляется блоком 12.3 в соответствии с выражением (5).

4. Расчет взвешивающей функции реализуется блоком 12.4 в соответствии с выражением (6).

5. Умножение АКФ входной реализации на взвешивающую функцию реализуется блоком 12.5 в соответствии с выражением (1).

6. Вычисление Фурье-преобразования взвешенной АКФ входной реализации осуществляется блоком 12.6 в соответствии с выражением (7).

7. Операция квадратирования модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации осуществляется блоком 12.7 в соответствии с выражением (8).

8. Вычисление АКФ от взвешенной АКФ входной реализации осуществляется блоком 12.8 в соответствии с выражением (9).

9. Пороговая обработка реализуется блоком 12.9 в соответствии с выражением (10).

Заявленный технический результат подтвержден числовым экспериментом.

Моделирование проведено при следующих исходных данных: диапазон несущих частот 4,2… 4,3 ГГц, диапазон частот повторения импульсов 10… 20 кГц, скважность импульсов 10², длительность импульсов τ_и=100 нс [7], время накопления принимаемых сигналов 0,1 - 0,05 с, вероятность ложной тревоги F_Л.Т=10^-4.

Для рассмотренных выше исходных данных проведена оценка эффективности обнаружения КРПРи, которая определяется достигаемым ОСШ на выходе обнаружителя в зависимости от ОСШ на входе приемного модуля и характеристик разведываемых КРПРи.

На фиг.13 показаны расчетные кривые, характеризующие зависимость ОСШ на выходе обнаружителя от ОСШ на его входе для различных способов обнаружения КРПРи.

Анализ результатов имитационного моделирования для приведенных выше исходных данных показал, что:

способ двойного спектрального анализа и взвешенной обработки квазинепрерывных сигналов при отсутствии априорных сведений об их параметрах превосходит аналоги по эффективности накопления, а именно обеспечивает выигрыш в реализуемом ОСШ 3-5 дБ относительно энергетического обнаружителя в диапазоне значений ОСШ на входе приемного модуля от 0 до 10 дБ;

количество каналов разработанного способа определяется только размером Фурье-преобразования, не зависит от априорных данных о диапазонах частот повторения и длительностях разведываемых импульсов составляет порядка 10³ каналов.

Таким образом, на основании выше приведенных оценок можно заключить, что реализация разработанного способа в средствах РМ позволит существенно снизить требуемое количество каналов обработки КРПРи и, соответственно, пропорционально снизить вероятность ложной тревоги. Как следствие достигается заявленный технический результат настоящего изобретения, состоящий в снижении количества каналов обработки приемного устройства средств РМ и исключении требований к априорной информации о диапазонах частот повторения и длительностях импульсов КРПРи при обеспечении заданных характеристик обнаружения.

Список литературы

1. Теоретические основы радиоэлектронной разведки [Текст]: 2-е изд., испр. и доп.(1-е издание «Информационное обеспечение радиоэлектронных систем в условиях конфликта») / В. Г. Радзиевский, А. А. Сирота. - М.: «Радиотехника», 2004. - 432 с.

2. Справочник по радиолокации [Текст]: в 4-х т.Радиолокационные станции и сигналы. Том. 4: / Под ред. М. Сколника Нью-Йорк, 1970. Пер, с англ. под общей ред. К. Н. Трофимова. Под ред. М. М. Вейсбейна, - М.: «Сов. Радио», 1978.-378 с.

3. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / A.M. Рембовский, А. В. Ашихмин, В. А. Кузьмин. - 4-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 640 с. - Текст: непосредственный.

4. Корреляционная обработка широкополосных сигналов в автоматизированных комплексах радиомониторинга / А. П. Дятлов, Б. X. Кульбикаян. - М.: Горячая линия - Телеком, 2017. - 332 с.

5. Патент № RU2768370. Способ спектрально-корреляционного обнаружения летательных аппаратов по квазинепрерывным импульсным сигналам бортовых радиоэлектронных систем: № 2021119821: заявл. 06.07.2021: опубл. 24.03.2022 / И.А. Баландин, К.Е. Кузнецов, A.M. Лаврентьев, А.А. Кириченко; заявитель, патентобладатель И.А. Баландин, К.Е. Кузнецов, A.M. Лаврентьев, А.А. Кириченко - 26 с.

6. Теоретические основы радиоэлектронной разведки: учеб. пособие / А.И. Куприянов, П.Б. Петренко, М.П. Сычев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.-381 с.

7. Информационные технологии в радиотехнических системах [Текст]: учеб. Пособие / под ред. И. Б. Федорова. - Изд. 3-е перераб. и доп.- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 846 с.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к методам и средствам обнаружения источника когерентной регулярной последовательности радиоимпульсов (КРПРи) с низкой энергетической доступностью в задачах радиомониторинга (РМ). Технический результат заключается в снижении количества каналов обработки приемного устройства средств РМ и исключении требования к априорной информации о диапазонах частот повторения и длительностях импульсов КРПРи при обеспечении заданных характеристик обнаружения. В заявленном способе проводят последовательно операции широкополосного спектрального Фурье-преобразования входной реализации в частотной полосе и временном окне спектрального анализа, квадратирования сформированного амплитудно-частотного спектра (АЧС) входной реализации, обратного Фурье-преобразования – вычисления автокорреляционной функции (АКФ) входной реализации, бланкирования центрального максимума АКФ реализации и многоканального ее стробирования, обусловленного частотой повторения и длительностью разведываемых импульсов с последующим суммированием модулей полученных значений и пороговой обработкой. После вычисления АКФ входной реализации выполняется согласованное со временем накопления и шириной полосы анализа взвешивание АКФ, исключающее из обработки центральный главный максимум реализации, учитывающее неравномерность воздействия шума на боковые локальные максимумы и подчеркивающее детерминированную структуру сигнальной составляющей и случайную природу шума, Фурье-преобразование полученной выборки, возведение полученного спектра в квадрат, обратное спектральное Фурье-преобразование, вычисление решающей статистики с последующей пороговой обработкой по критерию Неймана-Пирсона. 13 ил.

Способ обнаружения источника квазинепрерывной когерентной регулярной последовательности радиоимпульсов (КРПРи) при отсутствии априорных сведений об их параметрах, заключающийся в том, что проводят последовательно выполняемые операции широкополосного спектрального Фурье-преобразования аддитивной смеси входной реализации КРПРи полезного сигнала и внутриканальных шумов приемного устройства радиомониторинга в частотной полосе и временном окне спектрального анализа, в результате которого определяют комплексный амплитудно-частотный спектр (АЧС) входной реализации, квадратирования модульных значений сформированного АЧС входной реализации для получения спектральной плотности мощности входной реализации, вычисления автокорреляционной функции (АКФ) входной реализации путем обратного Фурье-преобразования спектральной плотности мощности входной реализации, отличающийся тем, что после вычисления АКФ входной реализации выполняют расчет взвешивающей функции, исключающей из обработки центральный главный максимум АКФ входной реализации КРПРи и учитывающей неравномерность воздействия шума на боковые локальные максимумы АКФ входной реализации КРПРи, согласованное со временем накопления и шириной полосы анализа взвешивание АКФ входной реализации путем умножения АКФ входной реализации на взвешивающую функцию в соответствии с (1):

, (1)

где – результат взвешивания АКФ входной реализации;

– АКФ входной реализации;

– дискретные отсчеты временного рассогласования входной реализации при вычислении АКФ;

– взвешивающая функция;

– средняя мощность шума;

– период накопления;

– центральная частота;

– время корреляции шума,

затем осуществляют накопление энергии сигнала путем вычисления прямого Фурье-преобразования от взвешенной АКФ входной реализации, выполняют операцию квадратирования модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации, вычисляют АКФ от взвешенной АКФ входной реализации путем обратного Фурье-преобразования квадрата модульных значений спектра взвешенной АКФ входной реализации, вычисляют решающую статистику с последующей пороговой обработкой по критерию Нейман-Пирсона, по результатам которой принимают решение о наличии или отсутствии полезного сигнала во входной реализации.